一种通过SLS与ScFCO2结合制备聚合物基压电泡沫制件的方法技术

本发明专利技术提供一种通过SLS与ScFCO2结合制备聚合物基压电泡沫制件的方法，该方法是将压电功能性聚合物粉体或压电功能性聚合物粉体与无机填料粉体的混合粉体作为主要原料，通过选择性激光烧结工艺制备激光烧结制件，再将激光烧结制件采用超临界二氧化碳釜压发泡法制备得到聚合物基泡沫制件，最后极化处理即得聚合物基压电泡沫制件。本发明专利技术该方法通过对超临界二氧化碳釜压发泡法工艺参数限定，以及与选择性激光烧结的配合作用，利用选择性激光烧结工艺过程中产生的特殊孔隙结构，进一步提高超临界二氧化碳釜压发泡法过程中CO2的扩散作用，从而显著提高最终制备所得聚合物基压电泡沫制件的压电性能和压缩模量。制件的压电性能和压缩模量。

【技术实现步骤摘要】
一种通过SLS与ScFCO2结合制备聚合物基压电泡沫制件的方法


[0001]本专利技术属于聚合物基压电泡沫制品
，涉及一种通过SLS与ScFCO2结合制备聚合物基压电泡沫制件的方法，更具体而言是通过选择性激光烧结工艺(SLS)与超临界二氧化碳釜压发泡法(ScFCO2)结合制备高性能聚合物基压电泡沫制件的方法。

技术介绍

[0002]近年来，由于传统能源存在污染环境、不可再生的缺点，绿色能源得到了人们越来越多的关注。机械能作为绿色能源的一种，在自然界广泛存在，但难以被有效利用，其中关键技术问题之一就是力电转换效率。因此目前关于如何提高力电转换效率是亟需解决的一个难题。
[0003]压电材料在力电转换方面有着广泛的应用，在目前的压电材料研究领域中，聚合物基的压电材料主要分为聚偏二氟乙烯(PVDF)、尼龙、聚氨酯、硅橡胶等几大类别。其中，聚偏二氟乙烯(PVDF)在已知聚合物里压电系数最高(d33≈
‑
20～
‑
34pC/N)。其β晶型具有最高的压电性能，目前文献报道提升β晶含量的方法主要有冷拉伸、固相挤出、研磨三种方法。如今PVDF以其独特的压电性能、良好的柔韧性、机械加工性，在传感、储能等领域被广泛的研究利用。但上述聚合物基的压电材料在压电方向的研究应用主要集中在二维薄膜，在三维制件的研究较为罕见。
[0004]这是因为当前的压电泡沫三维制件，在现有技术中通常是采用模压法、注塑法等热成型方式进行初步成型。但上述传统工艺方式需根据制件需求定制特定的模具，生产成本较高，工艺复杂。
[0005]此外，上述传统的三维制件方法，在面对日益更新的技术发展需求时，特别是针对力电转换器件形态多样、结构复杂的实际需求时，往往具有设计耗时长、制备成本高的缺点，这在一定程度上制约了通过传统方式制备复杂结构压电泡沫制品的推广和发展。近年来，随着3D打印技术的发展，其加工优势不断凸显，包括打印复杂结构易、产品设计周期短、增材制造工艺耗材少等。因此通过3D打印技术实现复杂结构的压电泡沫制品的制备，将极大推动力电转换的应用和发展。
[0006]选择性激光烧结(SLS)作为3D打印的一个分支，以粉末为原料，在加工过程中无剪切无流动，可设计结构复杂的制件。另外SLS在成型过程中无需支撑，省去了繁杂的后处理过程，提高了生产效率。
[0007]例如本专利技术的申请人所在课题组在先公开论文(Jin Y,Chen N,Li Y,et al.The selective laser sintering of a polyamide 11/BaTiO3/graphene ternary piezoelectric nanocomposite[J].RSC Advances,2020,10.)其公开了通过选择性激光烧结制备尼龙11复合材料压电制件的方法，即将PA11粉体与BaTiO3进行固相剪切碾磨，再用石墨烯对复合粉体进行超声包覆，并通过干燥、筛分、激光烧结得到三维压电制件。该论文所公开内容仅探讨了如何利用选择性激光烧结技术制备尼龙11复合材料的三维压电制件，其开路电压最高为16.2V，电流最高为234.8nA。
[0008]在上述基础上，若具有一种压电性能更佳的三维压电泡沫制件，将有利于力电转换技术的发展研究和工业应用。

技术实现思路

[0009]为了解决上述
技术介绍
中的问题，本专利技术提供一种通过SLS与ScFCO2结合制备聚合物基压电泡沫制件的方法，该方法通过对超临界二氧化碳釜压发泡法工艺参数限定，以及与选择性激光烧结的配合作用，利用选择性激光烧结工艺过程中产生的特殊孔隙结构，进一步提高超临界二氧化碳釜压发泡法过程中CO2的扩散作用，从而显著提高最终制备所得聚合物基压电泡沫制件的压电性能和压缩模量。
[0010]为实现上述目的，本专利技术是采用由以下技术措施构成的技术方案来实现的。
[0011]一种通过SLS与ScFCO2结合制备聚合物基压电泡沫制件的方法，按重量份数计，包括以下步骤：
[0012](1)备料适于选择性激光烧结的压电功能性聚合物粉体或压电功能性聚合物粉体与无机填料粉体的混合粉体；
[0013](2)将步骤(1)备料的压电功能性聚合物粉体或混合粉体100份，和流动助剂0.1～0.5份混合均匀，并通过选择性激光烧结工艺制件，即得激光烧结制件；其中，选择性激光烧结的工艺参数包括预热温度，所述预热温度取决于步骤(1)中所述压电功能性聚合物的烧结窗口SW，即为压电功能性聚合物起始熔融温度T
im
与起始结晶温度T
ic
两者范围内；
[0014](3)将步骤(2)所得激光烧结制件采用超临界二氧化碳釜压发泡法制备得到聚合物基泡沫制件；其中，超临界二氧化碳釜压发泡法的工艺参数为：发泡过程压力为7～16MPa，发泡温度低于压电功能性聚合物熔点2～22℃，保压时间30～60min；
[0015](4)将步骤(3)中所得聚合物基泡沫制件在80～100℃温度条件下进行极化，即得聚合物基压电泡沫制件。
[0016]其中，步骤(1)中所述压电功能性聚合物为本
中常规选择的具有压电功能性的聚合物种类，且适宜通过选择性激光烧结工艺进行制件。通常而言，现有技术中常规的压电功能性聚合物皆适宜上述条件，包括聚偏二氟乙烯(PVDF)、TPU、硅橡胶、PA11、PVDF
‑
TrFE等。
[0017]其中，步骤(1)中所述无机填料，其中无机填料主要包括适用于选择性激光烧结工艺，且具备功能性如进一步增强压电性能的无机填料，或/和进一步增强机械性能的无机填料。本领域技术人员可根据现有技术和实际工业条件，选择适宜的无机填料种类。为了更好地说明本专利技术，并提供一种可供参考实施的技术方案，所述无机填料主要包括BaTiO3、PZT、ZnO、氮化硼、石墨烯、CNT等。
[0018]优选地，为了进一步提高聚合物基压电泡沫制件的压电性能和机械性能，所述压电功能性聚合物为聚偏二氟乙烯时，无机填料优选为BaTiO3，且无机填料的添加量为3～20wt％。进一步优选地，所述无机填料的添加量为15～20wt％。
[0019]注意的是，此处无机填料的添加量应不高于20wt％，这主要取决于步骤(3)中利用超临界二氧化碳釜压发泡法时无机填料的增加会阻碍发泡过程，过多的加入会导致制件形貌不完整。通常而言，在无机填料的添加量不高于20wt％的前提下，添加了流动助剂0.1～0.5份的混合粉体完全满足选择性激光烧结工艺中所要求的流动性。
[0020]优选地，为了进一步提高聚合物基压电泡沫制件的压电性能和机械性能，所述压电功能性聚合物为PA11时，无机填料优选为BaTiO3，且无机填料的添加量为10～80wt％。进一步优选地，所述无机填料的添加量为60～80wt％。
[0021]注意的是，此处无机填料的添加量应不低于10wt％，这主要取决于压电功能性聚合物为PA11时，其压电性能主要通过高含量的无机填料获得。
[002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种通过SLS与ScFCO2结合制备聚合物基压电泡沫制件的方法，其特征在于按重量份数计，包括以下步骤：(1)备料适于选择性激光烧结的压电功能性聚合物粉体或压电功能性聚合物粉体与无机填料粉体的混合粉体；(2)将步骤(1)备料的压电功能性聚合物粉体或混合粉体100份，和流动助剂0.1～0.5份混合均匀，并通过选择性激光烧结工艺制件，即得激光烧结制件；其中，选择性激光烧结的工艺参数包括预热温度，所述预热温度取决于步骤(1)中所述压电功能性聚合物的烧结窗口SW，即为压电功能性聚合物起始熔融温度T
im
与起始结晶温度T
ic
两者范围内；(3)将步骤(2)所得激光烧结制件采用超临界二氧化碳釜压发泡法制备得到聚合物基泡沫制件；其中，超临界二氧化碳釜压发泡法的工艺参数为：发泡过程压力为7～16MPa，发泡温度低于压电功能性聚合物熔点2～22℃，保压时间30～60min；(4)将步骤(3)中所得聚合物基泡沫制件在80～100℃温度条件下进行极化，即得聚合物基压电泡沫制件。2.根据权利要求1所述方法，其特征在于：步骤(1)中所述压电功能性聚合物主要包括聚偏二氟乙烯、TPU、硅橡胶、PA11、PVDF
‑
TrFE其中任意一种。3.根据权利要求1或2所述方法，其特征在于：步骤(1)中所述无机填料主要包括BaTiO3、PZT、ZnO、氮化硼其中至少一种。4.根据权利要求3所述方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈宁，杨程，王琪，李莉，白时兵，陈英红，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：